Химическая связь и строение веществ

9. Каковы основные типы межмоле­кулярного взаимодействия? Покажите на конкретных примерах. Как влияет энергия межмолекулярного взаимодействия на физические свойства веществ? Как и почему изменяются температуры плавления и кипения веществ в рядах HCl – HBr – HI и H₂S – H₂Se – H₂Te ?

Ответ:

Первую формулировку силам межмолекулярного взаимодействия дал в 1871 г. Ван-дер-Ваальс. Поэтому они получили название вандерваальсовых сил. Силы межмолекулярного взаимодействия можно подразделить на ориентационные, индукционные и дисперсионные.

Полярные молекулы вследствие электростатического взаимодействия разноименных концов диполей ориентируются с пространстве так, что отрицательные концы диполей одних молекул повернуты к

положительным

концам диполей других молекул (ориентационное межмолекулярное взаимодействие).

Энергия такого взаимодействия определяется электростатическим притяжением двух диполей. Чем больше диполь, тем сильнее межмолекулярное притяжение (Н₂О, HCl), тем выше температуры кипения и плавления веществ.

Тепловое движение молекул препятствует взаимной ориентации молекул, поэтому с ростом температуры ориентационный эффект ослабевает. Индукционное взаимодействие наблюдается также и у веществ с полярными молекулами, но при этом оно обычно значительно слабее ориентационного.

Полярная молекула может увеличивать полярность соседней молекулы. Иными словами, под влиянием диполя одной молекулы может увеличиваться диполь другой молекулы, а неполярная молекула может стать полярной:

а

б

Дипольный момент, появляющийся в результате поляризации другой молекулой или ионом, называется индуцированным дипольным моментом, а само явление – индукцией. Таким образом, на ориентационное взаимодействие всегда должно накладываться индукционное взаимодействие молекул.

В случае неполярных молекул (например, Н₂, N₂ или атомов благородных газов) ориентационное и индукционное взаимодействие отсутствует. Однако известно, что водород, азот и благородные газы сжигаются. Для объяснения этих фактов Лондон ввел понятие дисперсионных сил межмолекулярного взаимодействия. Эти силы взаимодействуют между любыми атомами и молекулами независимо от их строения. Они вызываются мгновенными дипольными моментами, согласованно возникающими в большой группе атомов:

а + - + - б

- + - +

В каждый данный момент времени направление диполей может быть иным. Однако их согласованное возникновение обеспечивает слабые силы взаимодействия, приводящие к образованию жидких и твердых тел. В частности, оно обусловливает переход благородных газов при низких температурах в жидкое состояние.

Таким образом, наименьшей составляющей среди сил, действующих между молекулами, является дисперсионное взаимодействие. Между молекулами с малой полярностью или не имеющими полярности (CH₄, H₂, HI) действующими силами являются в основном дисперсионные. Чем больше собственный дипольный момент молекул, тем больше ориентационные силы взаимодействия между ними.

В ряду однотипных веществ дисперсионное взаимодействие возрастает с увеличением размеров атомов, составляющих молекулы этих веществ. Например, в HCl на долю дисперсионных сил приходится 81% всего межмолекулярного взаимодействия, для НВr эта величина составляет 95%, а для HI – 99,5%.

В рядах HCl – HBr – HI и H₂S – H₂Se – H₂Te температуры кипения закономерно увеличиваются с ростом молекулярных масс водородных соединений.

Это объясняется усилением взаимного притяжения молекул, что связано с увеличением размеров атомов и ростом дисперсионного взаимодействия между ними.

а) Определите типы гибридизации орбиталей атомов углерода в частицах: C₂H₆, CO₃^2– , C₂H₂, CH₂O, C₆H₆, СО₂ ?

Каковы геометрические формы этих частиц? Какие из частиц неполярны?

Ответ:

В этане C₂H₆ атомы углерода находятся в состоянии sp³ –гибридизации, имеют форму тетраэдров, соединенных под углом 109⁰28'.

В ионе CO₃^2–  атом углерода также находится в состоянии sp² –гибридизации, карбонат-ион имеют форму плоского треугольника (валентный угол 120⁰).

В молекуле ацетилена C₂H₂ атомы углерода находятся в состоянии sp –гибридизации, молекула имеет линейное строение (валентный угол 180⁰).

В ионе C₆H₆ атомы углерода также находится в состоянии sp² –гибридизации, молекула бензола имеют форму плоскостное строение (валентный угол 120⁰).

В молекуле углекислого газа CО₂ атомы углерода находятся в состоянии sp –гибридизации, молекула имеет линейное строение (валентный угол 180⁰).

Т е м а IV